[论文解读] Battery selection for optimal grid-outage resilient photovoltaic and battery systems

Stamatis Tsianikas, Jian Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Hybrid Renewable Energy Systems参考文献 10被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于仿真的优化框架，用于评估和比较四种电池类型——铅酸、钠硫、钒液流和锂离子电池——在电网停电情况下光伏（PV）系统中的表现。通过建模成本、效率和放电深度（DoD）等关键参数，研究发现，在未来趋势预测下，锂离子电池在韧性与成本效益方面均为最优选择。

ABSTRACT

The first and most important purpose of the current research work is to investigate the effects that different battery types have on the optimal configuration of photovoltaic (PV) and battery systems, from both economic and resilience perspectives. Many industry reports, as well as research papers, have already highlighted the crucial role that storage systems have in the coming years in the electricity sector, especially when combined with renewable energy systems (RES). Given the high cost of storage technologies, there is an urgent need for optimizing such integrated energy systems. In this paper, a simulation-based method is adopted and improved, in order to compare different battery types based on their characteristics by considering projected trends in the future. After the introduction of four different battery types, i.e. lead-acid, sodium sulphur, vanadium redox and lithium-ion, the mathematical model for the optimization problem is presented, along with the required explanations. Subsequently, a case study is described and the numerical assumptions are defined. Therein, our specific focus addresses the different values that the four battery types possess in three critical parameters, i.e. battery cost, efficiency and depth of discharge (DoD). Finally, results and discussion are provided in an illustrative and informative way. This model provides a useful guide for relevant future work in the area, and also serves as a baseline for more comprehensive methodologies regarding optimal sizing of photovoltaic and battery systems.

研究动机与目标

• 评估不同电池技术对光伏-电池系统经济性与韧性表现的影响。
• 通过基于电池特性的系统配置优化，解决能源存储的高成本问题。
• 为选择能最大程度提升电网停电期间韧性并最小化全生命周期成本的电池提供决策框架。
• 为未来关于光伏与电池系统最优尺寸设计的研究建立基准模型。
• 将电池技术与价格的未来趋势预测纳入系统优化过程。

提出的方法

• 开发了一种数学优化模型，整合电网停电条件下的光伏发电与电池储能。
• 基于其独特的技术与经济参数，纳入四种电池类型：铅酸、钠硫、钒液流和锂离子电池。
• 建模关键性能指标：单位 kWh 电池成本、往返效率和放电深度（DoD）限制。
• 采用案例研究，包含明确的负荷曲线、太阳辐照度数据以及未来电池成本趋势预测。
• 应用基于仿真的优化方法，确定每种电池类型下最优的系统配置（光伏与电池容量）。
• 基于总系统成本与停电韧性指标，对比不同电池类型的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同电池技术如何影响光伏-电池系统在电网停电韧性下的最优配置与成本？
• RQ2 哪种电池类型在成本、效率与 DoD 之间提供了最佳平衡，以实现可靠的离网运行？
• RQ3 电池未来成本趋势的预测如何影响光伏储能系统的经济性与韧性表现？
• RQ4 电池成本、效率与 DoD 对系统韧性与全生命周期成本的相对影响是什么？
• RQ5 纳入电池特异性参数如何影响最优系统配置？

主要发现

• 由于高效率、有利的 DoD 以及成本持续下降的预测，锂离子电池成为最具成本效益与韧性的选择。
• 尽管铅酸电池初始成本较低，但因效率低且 DoD 有限，导致长期系统成本上升，表现不佳。
• 钠硫电池与钒液流电池表现中等，但因成本更高且效率低于锂离子电池，竞争力较弱。
• 优化模型表明，电池效率与 DoD 对系统成本的影响大于初始资本成本本身。
• 研究证实，未来锂离子电池成本的下降将显著提升系统的韧性与经济可行性。
• 该模型提供了一个可扩展的框架，可用于在不同负荷、太阳能与成本假设下评估电池选型。